EP1098725A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines metallischen hohlkörpers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines metallischen hohlkörpers

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EP1098725A1
EP1098725A1 EP99929074A EP99929074A EP1098725A1 EP 1098725 A1 EP1098725 A1 EP 1098725A1 EP 99929074 A EP99929074 A EP 99929074A EP 99929074 A EP99929074 A EP 99929074A EP 1098725 A1 EP1098725 A1 EP 1098725A1
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EP
European Patent Office
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inner core
cavity
mold
casting mold
connecting element
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EP99929074A
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English (en)
French (fr)
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EP1098725B1 (de
Inventor
Peter Tiemann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP1098725B1 publication Critical patent/EP1098725B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/22—Moulds for peculiarly-shaped castings
    • B22C9/24—Moulds for peculiarly-shaped castings for hollow articles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C21/00—Flasks; Accessories therefor
    • B22C21/12—Accessories
    • B22C21/14—Accessories for reinforcing or securing moulding materials or cores, e.g. gaggers, chaplets, pins, bars

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing a metallic hollow body with at least one cavity, in particular a turbine blade with a cooling air duct and a plurality of cooling air openings.
  • turbine blades are, for example, metallic hollow bodies, the hollow space of which is designed as a cooling air channel which can be acted upon by cooling air.
  • Turbine blades with a so-called film cooling additionally have cooling air openings on their outer surface, which open into the cooling air channel and form a cooling air film on the outer surface of the turbine blade for cooling.
  • DE 38 23 287 C2 specifies a casting process in which a core forming the cavity is enclosed by a wax jacket.
  • the thickness of the wax jacket corresponds to the wall thickness of the wall of the component to be cast.
  • Pins are inserted into the wax jacket, the inner ends of which touch the core, while the outer ends of the pins protrude beyond the wax jacket.
  • the wax coat with pins is then dipped into a ceramic paste, enclosed by it and then heated so that the ceramic slurry can harden and form a ceramic outer mold. During the heating process, the wax coating melts, leaving the core held in place by the pins.
  • the hardened ceramic slurry with the usually also ceramic core forms the casting mold, which is then filled with molten metal.
  • the material of the pins for example platinum, can be melted or melted by the molten metal and diffuse into it.
  • the material of the pins is chosen so that there is essentially no local, harmful alloy formation.
  • heat retention caps are attached to the pins, which help to avoid heat loss from the pins that is too rapid.
  • cooling air openings are then drilled through the outer wall, which open into the cavity.
  • a disadvantage of this method is that the pins extend into the outer mold to such an extent that the ends of the pins protrude beyond the surface of the finished component, which makes reworking of the component necessary. Furthermore, the pins could not be chosen to be as wide as possible in order to fix the core in its position, since otherwise undesirable alloys could form locally. In addition, for reasons of cost, any number of platinum pins cannot be used to fix the core.
  • DE 33 12 867 A1 specifies a method in which the core forming the cavity is surrounded by a support, the outer dimensions of which do not protrude beyond the surface of the component to be cast.
  • the core and its support are then surrounded by a wax coat and dipped in a ceramic paste.
  • the core is supported from a material that dissolves in the cast alloy and does not adversely affect the properties of the component.
  • cooling air openings have to be drilled in the wall of the turbine blade in an additional machining step.
  • Both methods also have the disadvantage that, when the wax jacket is removed, the core can shift with respect to the later outer wall due to the different thermal expansion behavior of the pins or the support and the core, which leads to a fluctuating wall thickness.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a metallic hollow body.
  • a further object of the invention is to provide a device for producing a metallic hollow body, in particular a turbine blade of a gas turbine.
  • a device for producing a metallic hollow body having at least one cavity and a wall surrounding the cavity comprising an outer casting mold which has at least one inner core which serves to form the cavity, the outer casting mold in at least two outer parts are designed to be divisible and the inner core is connected to an outer part of the outer mold via at least one connecting element which serves to form a through opening in the wall into the cavity.
  • the invention is based on the knowledge that a casting mold which was formed with the aid of a wax-coated core already has deviations in the cavity released by the wax with respect to the desired wall thickness of the component to be cast.
  • the deviations in the position of the core with respect to its desired position result, among other things, from the different thermal expansion of the ceramic core, the metallic pins or supports and the wax forming the wax coat. Further deviations can occur when the cavity formed by the casting mold is poured out with molten metal and when the metal subsequently solidifies.
  • the different heat effects on the core and the pins or supports of the casting mold can lead to different thermal expansion, which under unfavorable circumstances can cause the core to twist and can therefore lead to an additional, local wall thickness deviation.
  • the invention is now based on the idea of forming the casting mold without a lost wax coat and of achieving an improved fixation of the core to the rest of the casting mold, so that no relative movements of the core with respect to the rest of the casting mold, which can lead to an undesirable change in wall thickness, are possible .
  • This divisible mold comprises an outer mold that can be divided into several outer parts and at least one inner core with a connecting element.
  • the outer mold essentially represents the negative of the outer surface of the hollow body to be cast, while the inner core serves to form the cavity.
  • the inner core is firmly connected to at least one outer part of the outer mold via at least one connecting element.
  • the connecting elements fix the inner core with respect to its position in relation to the outer casting mold and form the passage openings through the wall of the component to be cast.
  • Each connecting element is designed so that its dimensions and its position correspond to the dimensions and the position of a passage opening through the wall of the component to be cast into the cavity formed by the inner core.
  • the number of connecting elements preferably corresponds to the number of components provided in the component to be cast Openings.
  • the connecting elements extend from the surface of the inner core to the outer mold and touch the outer parts in such a way that no casting material can get between the connecting elements and the outer mold or the inner core during subsequent pouring.
  • This has the advantage that the inner core and the outer mold have a defined distance from one another which corresponds to the wall thickness of the component to be cast.
  • the mold for the component to be cast consists of the outer parts joined together to form the outer mold, with the inner cores connected via connecting elements and the connecting elements. Since the mold is produced without a wax jacket, there can be no undesirable change in the position of the inner core with respect to the outer mold due to different thermal expansion of the inner core, the outer mold and / or the connecting elements when the wax jacket melts.
  • An inner core is advantageously firmly connected to an outer part of the outer casting mold via at least one connecting element. This has the advantage that the inner core does not change its position with respect to the outer mold even when the mold is poured with liquid metal.
  • An inner core is preferably connected to exactly one outer part. It is thereby achieved that the finished casting mold can be assembled from at least two individual components, each component consisting of exactly one outer part, which may be firmly connected to an inner core via associated connecting elements. In addition to the connecting elements used for the fixed connection of the inner core and the outer part, further connecting elements can be assigned to the inner core, which serve to form further through openings.
  • the outer casting mold is preferably composed of a ceramic material.
  • the inner core is preferably made of a ceramic material.
  • a plurality of inner cores advantageously serve to form the cavity.
  • the geometry of each individual inner core can be made relatively simple, as a result of which the casting mold can be produced economically.
  • the inner core forming the supply duct advantageously extends along a main direction of expansion and has a substantially trapezoidal or triangular cross-sectional area perpendicular to the main direction of expansion. This has the advantage that two inner cores, which are used to form two different supply channels and which are attached to two different outer parts, can interlock in the manner of a toothing and thus do not hinder the joining of the outer parts to form the mold.
  • the inner core forming the cooler pocket is preferably essentially plate-shaped.
  • An inner core, which is used to form a supply duct that supplies the cooling bag with cooling air, is then connected to the outer mold via the plate-shaped inner core.
  • a plurality of inner cores advantageously serve to form the various cavities.
  • such inner cores are at least a connecting element, in particular via spacer knobs, kept at a distance from one another.
  • the device described is preferably used for producing a metallic hollow body having at least one cavity and a wall surrounding the cavity, for producing a turbine blade of a gas turbine, the cavity being designed as a cooling duct of the turbine blade and a plurality of cooling air openings being provided for the cooling duct , wherein each cooling air opening is formed by a passage opening.
  • the use of the device has the advantage that the fully poured turbine blade has a defined wall thickness and the amount of cooling air required for cooling the turbine blade can thus be matched to the maximum permissible surface temperature of the turbine blade. Overall, there is an extremely low cooling air requirement, which results in a high efficiency of the gas turbine. Another advantage results from the fact that the turbine blade does not have to be reworked after the casting mold has been removed.
  • the object directed to a method is achieved according to the invention by a method for producing a metallic hollow body with at least one cavity and a wall surrounding the cavity, which has a passage opening, a casting mold being poured out with metal by an inner core which is used to form a cavity is used to connect at least one connecting element to an outer part of an outer mold divided into at least two outer parts, then the outer parts together to form the outer mold. are added, the existing mold from the outer mold, the connecting elements and the inner core is poured out with metal and the mold is finally removed.
  • the mold of a hollow body can be assembled piece by piece.
  • Each component of the mold consists of at least one outer part of the outer mold and optionally one or more associated inner cores, which are fastened to the outer parts of a component with connecting elements.
  • Each component in turn represents a component that can be composed of smaller units.
  • the advantage is that a large number of prefabricated or partially prefabricated elements (e.g. connecting elements, inner cores) can be used to build up the components of the casting mold, which reduces the structural outlay and thus the costs for the production.
  • the outer parts of the prefabricated components are then assembled into a mold for the hollow body and firmly connected. Then the finished mold is poured out in a known manner with liquid metal and removed after the metal has solidified.
  • FIG. 1 side view of a hollow body
  • FIG. 2 cross section of the hollow body from FIG. 1 along the line I-I;
  • FIG. 3 split mold for a the hollow body from FIG.l;
  • FIG. 4 composite mold for a hollow body from FIG.l;
  • FIG. 5 oblique view of a section of FIG. Third
  • FIG. 1 as a hollow body 1 is a side view of a turbine blade with a blade area 2 for a
  • the turbine blade 1 has a number of cavities 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 and 21 which are surrounded by a wall 23, such as that in cross section through the blade area 2 along the line I-I in FIG. 2 is shown.
  • the cavities 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 and 21 form cooling channels 3, 5, 9, 15, 19 and 21 and cooling air pockets 7, 11, 13 and 17 which can be acted upon by cooling air.
  • the wall 23 of the turbine blade 1 has a large number of passage openings 25, also referred to as cooling air openings 25, which open into the cooling air pockets 7, 11, 13 and 17 and into the cooling duct 3. Through these cooling air openings 25, cooling air can emerge from the cooling channels within the turbine blade 1 onto the outer surface 24 of the wall 23 and form a cooling air film there.
  • FIG. 3 shows a device for producing a turbine blade 1.
  • the device consists of a ceramic casting mold 27 which comprises an external casting mold 29 divided into two outer parts 29A and 29B. Furthermore, the mold 27 comprises a number of ceramic inner cores 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49 and 51 which serve to form the cavities 3, 5, 9, 15, 19 and 21.
  • the inner cores 33, 37, 41 are connected to the outer part 29A via ceramic connecting elements 53 and the inner cores 43, 47 and 51 correspondingly to the outer part 29B.
  • the inner cores 35 and 39 are also each connected to the adjacent ones via connecting elements 53 (spacer knobs). beard inner cores 33 and 37 and 37 and 41 connected and spaced, while the remaining inner cores 45 and 49 are each attached to only one further inner core 43 and 47 with connecting elements 53.
  • the various inner cores 33 to 51 are shaped differently according to the task of the cavities they form.
  • the cooling air pockets 7, 11, 13 and 17 are formed, for example, by plate-shaped inner cores 37, 41, 43 and 47.
  • the plate-shaped inner cores have holes 57 (see FIG. 5) which are used to form webs (not shown) in the cooler pockets 7, 11, 13 and 17. These webs reinforce the mechanical stability of the turbine blade 1 in the region of the wall 23.
  • Connecting elements 53 are glued to the plate-shaped inner cores 37, 41, 43 and 47, which in turn are glued to one of the outer parts 29A and 29B.
  • the ceramic connecting elements 53 correspond in their dimensions and their position to the cooling air openings 25 of the turbine blade 1 formed by them and therefore preferably have a cylindrical cross section.
  • FIG. 4 shows a cross section of the mold 27 composed of the outer parts 29A and 29B and the inner cores 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49 and 51 and the connecting elements 53.
  • the outer parts 29A and 29B are firmly connected to one another here.
  • the inner cores 35, 39, 45 and 49 intermesh in the manner of a toothing and thus enable the outer parts 29A and 29B to be simply joined together. Due to the fixed connection of each inner core to one of the two outer parts 29A or 29B, the position of each inner core with respect to the neighboring inner cores and with respect to the outer mold formed by the outer parts 29A and 29B is clearly determined.
  • FIG. 5 shows an oblique view of a detail from FIG. 3, with the inner cores 37 and 35 not yet having the outer part 29A or the inner core 37 for better illustration are connected.
  • the plate-shaped inner core 37 serves to form the cooling pocket 7 which is supplied with cooling air from the cooling air duct 5.
  • the inner core 35 which is used to form the cooling air channel 5, extends along a main direction of expansion 55.
  • the cross-sectional area 57 perpendicular to the main direction of expansion 55 of the inner core 35 has an essentially triangular shape.
  • the connecting elements 53 on the one hand form cooling air openings 25 or connections from the cooling duct 35 to the cooling pocket 37, on the other hand they maintain a fixed distance between the inner cores 37 and 35 or the inner core 37 and the outer part 29A.
  • the mold 27 for the turbine blade 1 is assembled in several steps. Since the connecting elements 53 have a cylindrical cross section, they can be cut to the required length from rod-shaped primary material and at the positions of the cooling air openings 25 onto the inner cores 33, 37, 41, 43 and 49 e.g. be glued. Then, the plate-shaped inner cores 37 and 41 or 43 and 47, which are occupied by the connecting elements 53, and the inner cores 33 and 51 are firmly bonded to the outer halves 29A and 29B via the connecting elements 53.
  • the inner cores 35, 39, 45 and 49 which form cooling air channels for supplying the cooling air pockets 7, 11, 13 and 17 with cooling air, are glued to the inner cores 37, 41, 43 and 47 assigned to them via connecting elements 53 (spacer knobs) .
  • the outer parts 29A and 29B are then assembled into the mold 27 and firmly connected to one another.
  • the mold 27 is poured out with liquid metal. After the metal has solidified, the mold 27 is e.g. removed by leaching, and then releases the fully formed turbine blade 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen, zumindest einen Hohlraum (3, 5, 17) und eine den Hohlraum umgebende Wandung aufweisenden Hohlkörpers (1), umfassend eine Aussengussform, die zumindest einen Innenkern (33, 35, 47) aufweist, der zur Ausbildung des Hohlraums dient. Die Aussengussform ist in mindestens zwei Aussenteile (29A, 29B) teilbar ausgeführt und der Innenkern (33, 35, 47) über mindestens ein Verbindungselement (53), das der Ausbildung einer Durchtrittsöffnung (25) in der Wandung (23) in den Hohlraum (3, 5, 7) hinein dient, mit einem Aussenteil (29A, 29B) der Aussengussform verbunden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Hohlkörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Hohlkörpers mit zumindest einem Hohlraum, insbesondere einer Turbinenschaufel mit einem Kühlluftkanal und mehreren Kühlluftöffnungen.
Zur Herstellung metallischer Hohlkörper, die einen Hohlraum umfassen, sind verschiedene Verfahren bekannt, wobei den Gießverfahren dabei eine besondere Rolle zukommt. Gießverfahren erlauben die Herstellung präziser, fertig bemessener Bau- teile, wobei die wesentliche Formgebung des Bauteils in einem Schritt, beim Gießen, erfolgt und gegebenenfalls lediglich noch Bearbeitungsschritte zur Feinbearbeitung erforderlich sind. Solche Gießverfahren eignen sich daher besonders zur Herstellung von Turbinenschaufeln, insbesondere von Gastur- binenschaufeln. Um im Betriebsfall dauerhaft hohen Temperaturen widerstehen zu können, sind Turbinenschaufeln beispielsweise metallische Hohlkörper, deren Hohlraum als Kühlluftkanal ausgebildet ist, der mit Kühlluft beaufschlagt werden kann. Turbinenschaufeln mit einer sogenannten Filmkühlung weisen an ihrer Außenoberfläche zusätzlich Kühlluftöffnungen auf, die in den Kühlluftkanal münden und einen Kühlluftfilm auf der Außenoberfläche der Turbinenschaufel zur Kühlung ausbilden.
In der DE 38 23 287 C2 ist ein Gießverfahren angegeben bei dem ein den Hohlraum bildender Kern von einem Wachsmantel umschlossen wird. Die Dicke des Wachsmantels entspricht der Wanddicke der Wandung des zu gießenden Bauteils . In den Wachsmantel werden Stifte eingeführt, deren innere Enden den Kern berühren, während die äußeren Enden der Stifte über den Wachsmantel hinausstehen. Der Wachsmantel mit Stiften wird dann in einen Keramikbrei getaucht, von diesem umschlossen und anschließend erhitzt, so daß der Keramikbrei aushärten und eine keramische Außengußform bilden kann. Während des Er- hitzens schmilzt der Wachsmantel, wobei der von den Stiften gehaltene Kern in seiner Lage fixiert bleibt. Der ausgehär- tete Keramikbrei mit dem meist ebenfalls keramischen Kern bildet die Gußform, die anschließend mit geschmolzenem Metall ausgefüllt wird. Das Material der Stifte beispielsweise Platin kann durch das geschmolzene Metall an- oder aufgeschmolzen werden und in dieses hinein diffundieren. Das Material der Stifte ist dabei so gewählt, daß es im wesentlichen zu keiner örtlichen, schädlichen Legierungsbildung kommt. Um während der Erstarrung des Metallbauteils entstehende Fehler zu vermeiden, die z.B. durch Wärmeverluste an den in die keramische Außengußform hineinragenden Stifte entstehen kön- nen, sind an den Stiften Wärmehaltekappen angebracht, welche einen zu schnellen Wärmeverlußt an den Stiften vermeiden helfen. Zur Herstellung einer filmgekühlten Turbinenschaufel werden anschließend Kühlluftöffnungen durch die Außenwand gebohrt, die in den Hohlraum münden.
Ein Nachteil bei diesem Verfahren besteht darin, daß die Stifte in die Außengußform soweit hinreichen, daß die Enden der Stifte dadurch über die Oberfläche des fertigen Bauteils hinausragen, was eine Nachbearbeitung des Bauteils notwendig macht. Weiterhin könne die Stifte nicht beliebig breit gewählt werden um den Kern in seiner Lage zu fixieren, da sonst lokal unerwünschte Legierungen entstehen könnten. Zudem können aus Kostengründen nicht beliebig viele Stifte aus Platin zur Fixierung des Kerns eingesetzt werden.
Um die Nachbearbeitung eines fertigen Bauteils zu vermeiden ist in der DE 33 12 867 AI ein Verfahren angegeben, bei dem der den Hohlraum bildende Kern von einer Abstützung umgeben ist, deren äußere Abmessungen nicht über die Oberfläche des zu gießenden Bauteils hinausragen. Der Kern mitsamt Abstützung wird anschließend von einem Wachsmantel umgeben und in einen Keramikbrei getaucht. Die Abstützung des Kerns ist da- bei aus einem Material, das sich in der gegossenen Legierung auflöst und die Eigenschaften des Bauteils nicht nachteilig beeinflußt. Auch hier ergibt sich der Nachteil, daß in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt Kühlluftöffnungen in die Wandung der Turbinenschaufel gebohrt werden müssen.
Beide Verfahren besitzen weiterhin den Nachteil, daß es bereits beim Entfernen des Wachsmantels, aufgrund des unterschiedlichen Wärmedehnverhaltens der Stifte bzw. der Abstüt- zung und des Kerns, zu einer Verschiebung des Kerns bezüglich der späteren Außenwandung kommen kann, was zu einer schwankenden Wanddicke führt.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hohlkörpers anzugeben. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Hohlkörpers, insbesondere einer Turbinenschaufel einer Gasturbine, anzugeben.
Die auf eine Vorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen, zumindest einen Hohlraum und eine den Hohlraum umgebende Wandung aufweisenden Hohlkörpers, umfassend eine Außengußform, die zumindest einen Innenkern aufweist, der zur Ausbildung des Hohlraums dient, wobei die Außengußform in mindestens zwei Außenteile teilbar ausgeführt ist und der Innenkern über mindestens ein Verbindungselement, das der Ausbildung eine Durchtrittsöffnung in der Wandung in den Hohlraum hinein dient, mit einem Außenteil der Außengußform verbunden ist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine Gußform, die mit Hilfe eines wachsummantelten Kerns gebildet wurde, bereits Abweichungen des vom Wachs freigegebenen Hohlraumes bezüglich der gewünschten Wandstärke des zu gießenden Bauteils aufweist. Die Abweichungen der Lage des Kerns bezüglich seiner gewünschten Position resultieren u.a. aus der unter- schiedlichen Wärmedehnung des keramischen Kerns, der metallischen Stifte bzw. Abstützungen und des, den Wachsmantel bildenden, Wachses. Zu weiteren Abweichungen kann es beim Ausgießen des durch die Gußform gebildeten Hohlraumes mit ge- schmolzenem Metall und beim anschließenden Erstarren des Metalls kommen. Dabei kann die unterschiedliche Wärmeeinwirkung auf den Kern und die Stifte bzw. Abstützungen der Gußform zu einer unterschiedlichen Wär edehung führen, welche unter ungünstigen Umständen eine Verwindung des Kerns bewirken und damit zu einer zusätzlichen, lokalen Wanddickeabweichung führen kann.
Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, die Gußform ohne verlorenen Wachsmantel zu bilden und eine verbesserte Fixierung des Kerns am Rest der Gußform zu erzielen, so daß keine Relativbewegungen des Kerns bezüglich der übrigen Gußform, die zu einer unerwünschten Wanddickenänderung führen können, möglich sind.
Das wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung erreicht, die eine teilbare Gußform für einen metallischen Hohlkörper bildet. Diese teilbare Gußform umfaßt eine in mehrere Außenteile teilbare Außengußform sowie mindestens einen Innenkern mit einem Verbindungselement. Die Außengußform stellt im wesent- liehen das Negativ der Außenoberfläche des zu gießenden Hohlkörpers dar, während der Innenkern zur Bildung des Hohlraumes dient. Der Innenkern ist über mindestens ein Verbindungselement mit mindestens einem Außenteil der Außengußform fest verbunden. Die Verbindungselemente fixieren den Innenkern be- züglich seiner Lage zur Außengußform und bilden die Durchtrittsöffnungen durch die Wandung des zu gießenden Bauteils. Jedes Verbindungselement ist dazu so ausgeführt, daß seine Dimensionen und seine Lage den Abmessungen und der Position einer Durchtrittsöffnung durch die Wandung des zu gießenden Bauteils in den vom Innenkern gebildeten Hohlraum entsprechen. Die Anzahl der Verbindungselemente entspricht vorzugsweise der Anzahl der im zu gießenden Bauteil vorgesehenen Durchtrittsöffnungen. Um die Lage des Innenkerns relativ zur Außengußform zu fixieren reichen die Verbindungselemente von der Oberfläche des Innenkerns bis zur Außengußform und berühren die Außenteile derart, daß beim späteren Ausgießen kein Gußmaterial zwischen die Verbindungselemente und die Außengußform bzw. den Innenkern gelangen kann. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß der Innenkern und die Außengußform einen definierten Abstand voneinander haben, welcher der Wandstärke des zu gießenden Bauteils entspricht. Die Gußform für das zu gießende Bauteil besteht aus den zur Außengußform zusammengefügten Außenteilen mit den über Verbindungselemente verbundenen Innenkernen und den Verbindungselementen. Da die Gußform ohne einen Wachsmantel hergestellt wird, kann es nicht zu einer unerwünschten Lageänderung des Innenkerns be- züglich der Außengußform aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnung des Innenkerns, der Außengußform und/oder der Verbindungselemente beim Ausschmelzen des Wachsmantels kommen.
Vorteilhafterweise ist ein Innenkern über mindestens ein Ver- bindungselement fest mit einem Außenteil der Außengußform verbunden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß der Innenkern auch beim Ausgießen der Gußform mit flüssigem Metall seine Lage bezüglich der Außengußform nicht ändert.
Vorzugsweise wird ein Innenkern mit genau einem Außenteil verbunden. Dadurch wird erreicht, daß die fertige Gußform aus zumindest zwei einzelnen Komponenten zusammensetzbar ist, wobei jede Komponente aus genau einem Außenteil besteht, daß ggf. mit einem Innenkern über zugeordnete Verbindungselemente fest verbunden ist. Neben den zur festen Verbindung von Innenkern und Außenteil verwendeten Verbindungselementen können dem Innenkern weitere Verbindungselemente zugeordnet sein, die zur Ausbildung von weiteren Durchtrittsöffnungen dienen.
Um den hohen Temperaturen und der damit verbundenen hohen thermischen Belastung der Gußform beim Ausgießen des Bauteils widerstehen zu können, besteht die Außengußform bevorzugt aus einem keramischen Material. Ebenso ist der Innenkern bevorzugt aus einem keramischen Material gefertigt.
Bei Hohlkörpern mit einem besonders kompliziert ausgeformten Hohlraum (z.B. ein Hohlraum mit einer oder mehreren Engstellen) dienen vorteilhafterweise mehrere Innenkerne zur Ausbildung des Hohlraumes. Dadurch kann die Geometrie jedes einzelnen Innenkerns relativ einfach gestaltet werden, wodurch eine kostengünstige Herstellung der Gußform erreicht werden kann.
Ist der Hohlraum beispielsweise als Versorgungskanal zur Versorgung einer Turbinenschaufel mit Kühlluft vorgesehen, so erstreckt sich der den Versorgungskanal bildende Innenkern vorteilhafterweise entlang einer Hauptausdehnungsrichtung und weist eine im wesentliche trapezförmige oder dreieckige Querschnittsfläche senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung auf. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß zwei Innenkerne, die der Ausbildung zweier verschiedener Versorgungskanäle dienen und die an zwei verschiedenen Außenteilen befestigt sind, in der Art einer Verzahnung ineinandergreifen können und so das Zusammenfügen der Außenteile zur Gußform nicht behindern.
Dient der Hohlraum der Ausbildung einer Kühltasche, z.B. einer Kühltasche einer Turbinenschaufel, so ist der die Kühl- tasche bildende Innenkern bevorzugterweise im wesentlichen plattenförmig ausgebildet. Ein Innenkern, der zur Bildung eines die Kühltasche mit Kühlluft versorgenden Versorgungskanal dient, ist dann über den plattenförmigen Innenkern mit der Außengußform verbunden.
Weist ein zu gießendes Bauteil mehrere Hohlräume auf, so dienen vorteilhafterweise mehrere Innenkerne zur Ausbildung der verschiedenen Hohlräume. Um die Stabilität der Gußform weiter zu erhöhen und zu verhindern, daß sich die Innenkerne, die der Ausbildung verschiedener Hohlräume dienen, relativ zueinander verschieben, werden solche Innenkerne über zumindest ein Verbindungselement, insbesondere über Abstandsnoppen, voneinander auf Distanz gehalten.
Bevorzugterweise wird die beschriebene Vorrichtung zur Her- Stellung eines metallischen, zumindest einen Hohlraum und eine den Hohlraum umgebende Wandung aufweisenden Hohlkörpers, zur Herstellung einer Turbinenschaufel einer Gasturbine verwendet, wobei der Hohlraum als ein Kühlkanal der Turbinenschaufel ausgebildet ist und mehrere Kühlluftöffnungen für den Kühlkanal vorgesehen sind, wobei jede Kühlluftöffnung durch eine Durchtrittsöffnung gebildet ist. Die Verwendung der Vorrichtung hat den Vorteil, daß die fertig ausgegossene Turbinenschaufel eine definierte Wandstärke besitzt und somit die zur Kühlung der Turbinenschaufel notwendige Kühlluftmenge auf die maximal zulässige Oberflächentemperatur der Turbinenschaufel abgestimmt werden kann. Insgesamt ergibt sich ein äußerst geringer Kühlluftbedarf, der zu einem hohen Wirkungsgrad der Gasturbine resultiert. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß die Turbinenschaufel nach dem Entfernen der Gußform nicht nachbearbeitet werden muß. Es entfällt u.a. das Bohren der Kühlluftöffnungen oder aber das Entfernen der über die Außenoberfläche ragenden Stifte, wenn ein Innenkern der Gußform gemäß dem Stand der Technik mit metallischen Stiften in seiner Lage fixiert wurde. Außerdem sind zur Herstellung der Gußform keine Edelmetallstifte (z.B. Platin) notwendig, was einerseits die Herstellkosten senkt und andererseits die Gefahr einer örtlichen Legierungsbildung vermindert.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hohlkörpers mit zumindest einem Hohlraum und einer den Hohlraum umgebenden Wandung, die eine Durchtrittsöffnung aufweist, wobei eine Gußform mit Metall ausgegossen wird, indem ein Innenkern, der zur Ausbildung eines Hohlraumes dient, mit mindestens einem Verbindungselement an ein Außenteil einer in zumindest zwei Außenteile geteilten Außengußform verbunden wird, anschließend die Außenteile zur Außengußform zusammen- gefügt werden, die aus der Außengußform, den Verbindungselementen und dem Innenkern bestehende Gußform mit Metall ausgegossen wird und die Gußform abschließend entfernt wird.
Die Gußform eines Hohlkörpers kann so stückweise zusammengesetzt werden. Jede Komponenten der Gußform besteht dabei aus mindestens einem Außenteil der Außengußform sowie gegebenenfalls aus einem oder mehreren zugeordneten Innenkernen, die mit Verbindungselementen an den Außenteilen einer Komponente befestigt sind. Jede Komponente stellt wiederum ein Bauteil dar, das aus kleineren Einheiten zusammengesetzt sein kann. Auf diese Weise ist es möglich eine Gußform für einen kompliziert ausgeformten Hohlkörper aus einer Mehrzahl kleinerer Elemente, die eine relativ einfache Geometrie aufweisen, stückweise zusammenzusetzen. Es ergibt sich der Vorteil, daß eine große Anzahl vorgefertigter oder teilweise vorgefertigter Elemente (z.B. Verbindungselemente, Innenkerne) zum Aufbau der Komponenten der Gußform verwendet werden kann, was den baulichen Aufwand und damit die Kosten zur Herstellung reduziert. Die Außenteile der vorgefertigten Komponenten werden anschließend zur Gußform für den Hohlkörper zusammengesetzt und fest miteinander verbunden. Dann wird die fertige Gußform in bekannter Weise mit flüssigem Metall ausgegossen und nach dem Erstarren des Metalls entfernt.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- spiele werden die Vorrichtung und das Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers näher erläutert. Es zeigen die Figuren in sche atischer Darstellung:
FIG. 1 Seitenansicht eines Hohlkörpers;
FIG. 2 Querschnitt des Hohlkörpers aus FIG.l entlang der Linie I-I;
FIG. 3 geteilte Gußform für einen den Hohlkörper aus FIG.l; FIG. 4 zusammengesetzte Gußform für einen Hohlkörper aus FIG.l;
FIG. 5 Schrägansicht auf einen Ausschnitt aus FIG. 3.
Gleichwirkende Elemente tragen in den Figuren jeweils gleiche Bezugszeichen.
In FIG. 1 ist als ein Hohlkörper 1 eine Seitenansicht einer Turbinenschaufel mit einem Schaufelblattbereich 2 für eine
Gasturbine dargestellt. Die Turbinenschaufel 1 weist eine Anzahl von Hohlräumen 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 und 21 auf die von einer Wandung 23 umgeben sind, wie das im Querschnitt durch den Schaufelblattbereich 2 entlang der Linie I- I in FIG. 2 gezeigt ist. Die Hohlräume 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19 und 21 bilden Kühlkanäle 3, 5, 9, 15, 19 und 21 sowie Kühllufttaschen 7, 11, 13 und 17, die mit Kühlluft beaufschlagbar sind. Die Wandung 23 der Turbinenschaufel 1 weist eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 25, auch als Kühlluftöffnungen 25 bezeichnet, auf, die in den Kühllufttaschen 7, 11, 13 und 17 sowie im Kühlkanal 3 münden. Durch diese Kühlluftöffnungen 25 kann Kühlluft aus den Kühlkanälen innerhalb der Turbinenschaufel 1 auf die Außenoberfläche 24 der Wandung 23 austreten und dort einen Kühlluftfilm ausbil- den.
FIG. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung einer Turbinenschaufel 1. Die Vorrichtung besteht aus einer keramischen Gußform 27, die eine in zwei Außenteile 29A und 29B geteilte Außengußform 29 umfaßt. Weiterhin umfaßt die Gußform 27 eine Anzahl von keramischen Innenkernen 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49 und 51 die zur Ausbildung der Hohlräume 3, 5, 9, 15, 19 und 21 dienen. Die Innenkerne 33, 37, 41 sind über keramische Verbindungselemente 53 mit dem Außenteil 29A verbun- den und die Innenkerne 43, 47 und 51 entsprechend mit dem Außenteil 29B. Die Innenkerne 35 und 39 sind ebenfalls jeweils über Verbindungselemente 53 (Abstandsnoppen) mit den benach- barten Innenkernen 33 und 37 sowie 37 und 41 verbunden und beabstandet, während die übrigen Innenkerne 45 und 49 jeweils an nur einem weiteren Innenkern 43 bzw. 47 mit Verbindungselementen 53 befestigt sind.
Die verschiedenen Innenkerne 33 bis 51 sind entsprechend der Aufgabe der von ihnen gebildeten Hohlräume unterschiedlich ausgeformt. Die Kühllufttaschen 7, 11 13 und 17 werden beispielsweise von plattenförmigen Innenkernen 37, 41, 43 und 47 gebildet. Die plattenförmigen Innenkerne weisen Löcher 57 (s. FIG 5) auf, die der Ausbildung von nicht gezeigten Stegen in den Kühltaschen 7, 11, 13 und 17 dienen. Diese Stege verstärken die mechanische Stabilität der Turbinenschaufel 1 im Bereich der Wandung 23. An den plattenförmigen Innenkernen 37, 41, 43 und 47 sind Verbindungselemente 53 festgeklebt, die wiederum mit einem der Außenteile 29A bzw. 29B verklebt sind. Die keramischen Verbindungselemente 53 entsprechen in ihren Abmessungen und ihrer Lage den durch sie gebildeten Kühlluftöffnungen 25 der Turbinenschaufel 1 und haben daher vorzugsweise einen zylindrischen Querschnitt.
In FIG. 4 ist ein Querschnitt der aus den Außenteilen 29A und 29B sowie den Innenkernen 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49 und 51 und den Verbindungselementen 53 zusammengesetzten Gußform 27 dargestellt. Die Außenteile 29A und 29B sind hier fest miteinander verbunden. Im Bereich des Zentrums der Gußform 27 greifen die Innenkerne 35, 39, 45 und 49 in der Art einer Verzahnung ineinander und ermögliche so ein einfaches Zusammenfügen der Außenteile 29A und 29B. Durch die feste Verbindung jedes Innenkerns mit einem der beiden Außenteile 29A oder 29B ist die Position jedes Innenkerns bezüglich der benachbarten Innenkerne, und bezüglich der von den Außenteilen 29A und 29B gebildeten Außengußform eindeutig bestimmt.
FIG. 5 zeigt in einer Schrägansicht einen Ausschnitt aus FIG. 3 wobei die Innenkerne 37 und 35 zur besseren Darstellung noch nicht mit dem Außenteil 29A bzw. mit dem Innenkern 37 verbunden sind. Der plattenförmige Innenkern 37 dient der Ausbildung der Kühltasche 7 die vom Kühlluftkanal 5 mit Kühlluft versorgt wird. Der Innenkern 35 der zur Ausbildung des Kühlluftkanals 5 dient erstreckt sich entlang einer Hauptaus- dehnungsrichtung 55. Die Querschnittsflache 57 senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung 55 des Innenkerns 35 weist eine im wesentlichen dreieckige Form auf. Die Verbindungselemente 53 bilden einerseits Kühlluftöffnungen 25 bzw. Verbindungen vom Kühlkanal 35 zur Kühltasche 37, andererseits halten sie einen festen Abstand zwischen den Innenkernen 37 und 35 bzw. dem Innenkern 37 und dem Außenteil 29A aufrecht.
Die Gußform 27 für die Turbinenschaufel 1 wird in mehreren Schritten zusammengesetzt. Da die Verbindungselemente 53 ei- nen zylindrischen Querschnitt aufweisen, können diese aus stangenförmigem Vormaterial in der notwendigen Länge abgelängt werden und an den Positionen der Kühlluftöffnungen 25 auf die Innenkerne 33, 37, 41, 43 und 49 z.B. geklebt werden. Dann werden die mit den Verbindungselementen 53 besetzten, plattenförmigen Innenkerne 37 und 41 bzw. 43 und 47 sowie die Innenkerne 33 bzw. 51 über die Verbindungselemente 53 fest mit den Außenhälften 29A bzw. 29B verklebt. Anschließend werden die Innenkerne 35, 39, 45 und 49, welche Kühlluftkanäle zur Versorgung der Kühllufttaschen 7, 11, 13 und 17 mit Kühl- luft bilden, mit den ihnen zugeordneten Innenkernen 37, 41, 43 und 47 über Verbindungselemente 53 (Abstandsnoppen) verklebt. Die Außenteile 29A und 29B werden dann zur Gußform 27 zusammengefügt und fest miteinander verbunden. Zur Bildung der Turbinenschaufel 1 wird die Gußform 27 mit flüssigem Metall ausgegossen. Nach Erstarren des Metalls wird die Gußform 27 z.B. durch Auslaugen entfernt, und gibt dann die fertig ausgeformte Turbinenschaufel 1 frei.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen, zumindest einen Hohlraum (3, 5, 17) und eine den Hohlraum umgebende Wandung aufweisenden Hohlkörpers (1), umfassend eine Außengußform, die zumindest einen Innenkern (33, 35, 47) aufweist, der zur Ausbildung des Hohlraums dient, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Außengußform in mindestens zwei Außenteile (29A, 29B) teilbar ausgeführt ist und der Innenkern (33, 35, 47) über mindestens ein Verbindungselement (53) , das der Ausbildung einer Durchtrittsöffnung (25) in der Wandung (23) in den Hohlraum (3, 5, 7) hinein dient, mit einem Außenteil (29A, 29B) der Außengußform verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Innenkern (33) über mindestens ein Verbindungselement (53) fest mit einem Außenteil (29A, 29B) der Außengußform verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Außengußform aus einem keramischen Material besteht.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Innenkern (33, 35, 47) aus einem keramischen Material besteht.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Innenkern (33, 35, 47) mit genau einem Außenteil (29A, 29B) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Innenkerne (33, 35, 47) zur Ausbildung des Hohlraums dienen.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verbindungselement (53) zylindrisch ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Innenkerne (33, 35, 47) zur Ausbildung mindestens zweier Hohlräume vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zumindest zwei Innenkerne (33, 35, 47, 51), die der Ausbildung verschiedener Hohlräume dienen, über ein Verbindungselement (53) miteinander verbunden und voneinander beabstandet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Innenkern (33, 35, 45) , welcher der Ausbildung eines Versorgungskanals (3, 5, 15) für Kühlluft dient, sich entlang einer Hauptausdehnungsrichtung (55) erstreckt und eine im wesentlichen trapezförmige oder dreieckige Querschnittsfläche (57) senkrecht zur Hauptausdehnungsrichtung (55) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein im wesentlichen plattenförmig ausgeformter Innenkern (37, 41, 43, 47), welcher der Ausbildung einer Kühltasche (7, 11, 13, 17) dient, einerseits mit der Außengußform und andererseits mit einem der Bildung eines die Kühltasche (7, 11, 13, 17) mit Kühlluft versorgenden Versorgungskanals (5,9 15) dienenden Innenkerns (35, 39, 45) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verbindungselement (53) aus einem anderen Material als der Innenkern (33, 35, 47) und/oder die Außengußform besteht.
13. Verwendung einer Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen, zumindest einen Hohlraum (3, 5, 17) und eine den Hohlraum umgebende Wandung (23) aufweisenden Hohlkörpers (1), umfassend eine Außengußform, die zumindest einen Innenkern (33, 35, 47) aufweist, der zur Ausbildung des Hohlraums (3, 5, 17) dient, wobei die Außengußform in mindestens zwei Außenteile (29A, 29B) teilbar ausgeführt ist und der Innenkern (33, 35, 47) über mindestens ein Verbindungselement (53) , das der Ausbildung einer Durchtrittsöffnung (25) in der Wandung (23) in den Hohlraum (3, 5, 17) hinein dient, mit einem Außenteil (29A, 29B) der Außengußform verbunden ist, zur Herstellung einer Turbinenschaufel (1) einer Gasturbine, wobei der Hohlraum (3, 5, 17) als ein Kühlkanal ausgebildet ist und mehrere Kühlluftöffnungen für den Kühlkanal vorgese- hen sind, wobei jede Kühlluftöffnung durch eine Durchtrittsöffnung (25) durch die Wandung (24) hindurch gebildet ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Hohlkörpers (1) mit zumindest einem Hohlraum (3, 5, 17) und einer den Hohlraum umgebenden Wandung (23) , die eine Durchtrittsöffnung (25) aufweist, wobei eine Gußform (27) mit Metall ausgegossen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß a) ein Innenkern (33, 35, 47), der zur Ausbildung eines Hohlraumes (3, 5, 17) dient, mit mindestens einem
Verbindungselement (53) an ein Außenteil (29A, 29B) einer in zumindest zwei Außenteile (29A, 29B) geteilten Außengußform angebunden wird, b) die Außenteile (29A, 29B) zur Außengußform zusammengefügt werden, c) die aus der Außengußform, den Verbindungselementen (53) und dem Innenkern (33, 35, 47) bestehende Gußform (27) mit Metall ausgegossen wird und d) die Gußform (27) entfernt wird.
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